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增材制造頂刊:新型高溫合金再獲突破!


2021年,牛津大學的Reed 研究組通過合金設計方法(Alloys-By-Design/ABD)成功設計出兩款新型可增材制造的高性能高溫合金。這兩款新型合金的氧化層均為氧化鉻(Chromia-forming),想要提高材料的抗溫與持久能力,氧化鋁(Alumina-forming)作為氧化層的新合金還有待開發。近期,該組研究者們再次成功設計了此類新合金。它具有更高的強化相比例分數且不會在打印中產生微裂紋,并通過調控(Nb+Ta)/Al 比例獲得最優的抗氧化性與力學性能。該成果以“A New Class of Alumina-Forming Superalloys for 3D printing”發表于近期的增材制造頂刊《Additive Manufacturing》,通訊作者為牛津大學湯元博博士。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102608



  高溫合金在極端環境具有長期的結構穩定性,這與它的抗氧化性是密不可分的。此種材料在高溫作用下會迅速通過氧氣與鉻(Cr)或者鋁(Al)形成致密的氧化層從而保護基體不被繼續氧化。通過氧化層的成分可以劃分為含Cr或含Al元素高溫合金。例如IN718,Waspaloy等都屬于前者,而CMSX-4或者CM247LC則屬于后者。由于含Cr的氧化層在1000℃以上會不穩定,容易碎裂或揮發從而失去保護性,因此應用溫度低于含Al合金。

  該工作中,研究者們通過ABD方法設計了三種成分的含Al高溫合金,并通過調控(Nb+Ta)/Al 比例使平衡態伽馬一撇相比例分數維持為0.5(900℃)。通過大量實驗,對三種材料測試了其工藝加工性,以及不同熱處理條件下的力學性能,蠕變性能,抗氧化性等,同時以CM247LC合金作為標桿進行比較。


圖一:三種新型合金在打印后有少許氣孔但沒有微裂紋,而CM247LC產生了大量微裂紋。


圖二: 1000℃氧化實驗對比。新型高溫合金(1 & 2)的抗氧化性明顯優于傳統CM247LC合金。


  綜上所述,三種不同(Nb+Ta)/Al比例的含Al新型高溫合金被成功設計,且3D打印后不會形成微裂紋。其中超固溶熱處理會導致材料在高溫脆化,而亞固溶則可以保持相當的高溫延展和強度。提高(Nb+Ta)/Al比例可以增加材料強度,然而也會降低抗氧化性能,其具體比例應該由應用條件而選擇。此項工作證實了多維度性能優化在材料設計中的重要性,為今后增材制造高溫合金的發展提供了指南。


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